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linux中select()函数分析,同样适用于Python/Perl中的socket多线程select

Select在Socket编程中还是比较重要的,可是对于初学Socket的人来说都不太爱用Select写程序,他们只是习惯写诸如connect、accept、recv或recvfrom这样的阻塞程序(所谓阻塞方式block,顾名思义,就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生,如果事件没有发生,进程或线程就被阻塞,函数不能立即返回)。可是使用Select就可以完成非阻塞(所谓非阻塞方式non-block,就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生,一旦执行肯定返回,以返回值的不同来反映函数的执行情况,如果事件发生则与阻塞方式相同,若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生,而进程或线程继续执行,所以效率较高)方式工作的程序,它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。下面详细介绍一下!

Select的函数格式(我所说的是Unix系统下的伯克利socket编程,和windows下的有区别,一会儿说明):

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);

先说明两个结构体:

第一,struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor),即文件句柄,这可以是我们所说的普通意义的文件,当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式,全部包括在内,所以毫无疑问一个socket就是一个文件,socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作,比如清空集合FD_ZERO(fd_set *),将一个给定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int ,fd_set *),将一个给定的文件描述符从集合中删除FD_CLR(int ,fd_set*),检查集合中指定的文件描述符是否可以读写FD_ISSET(int ,fd_set* )。一会儿举例说明。

第二,struct timeval是一个大家常用的结构,用来代表时间值,有两个成员,一个是秒数,另一个是毫秒数。

具体解释select的参数:

int maxfdp是一个整数值,是指集合中所有文件描述符的范围,即所有文件描述符的最大值加1,不能错!在Windows中这个参数的值无所谓,可以设置不正确。

fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针,这个集合中应该包括文件描述符,我们是要监视这些文件描述符的读变化的,即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了,如果这个集合中有一个文件可读,select就会返回一个大于0的值,表示有文件可读,如果没有可读的文件,则根据timeout参数再判断是否超时,若超出timeout的时间,select返回0,若发生错误返回负值。可以传入NULL值,表示不关心任何文件的读变化。

fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针,这个集合中应该包括文件描述符,我们是要监视这些文件描述符的写变化的,即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了,如果这个集合中有一个文件可写,select就会返回一个大于0的值,表示有文件可写,如果没有可写的文件,则根据timeout参数再判断是否超时,若超出timeout的时间,select返回0,若发生错误返回负值。可以传入NULL值,表示不关心任何文件的写变化。

fd_set *errorfds同上面两个参数的意图,用来监视文件错误异常。

struct timeval* timeout是select的超时时间,这个参数至关重要,它可以使select处于三种状态,第一,若将NULL以形参传入,即不传入时间结构,就是将select置于阻塞状态,一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止;第二,若将时间值设为0秒0毫秒,就变成一个纯粹的非阻塞函数,不管文件描述符是否有变化,都立刻返回继续执行,文件无变化返回0,有变化返回一个正值;第三,timeout的值大于0,这就是等待的超时时间,即select在timeout时间内阻塞,超时时间之内有事件到来就返回了,否则在超时后不管怎样一定返回,返回值同上述。

返回值:

负值:select错误 正值:某些文件可读写或出错 0:等待超时,没有可读写或错误的文件

在有了select后可以写出像样的网络程序来!举个简单的例子,就是从网络上接受数据写入一个文件中。

例子:

main()

{

	int sock;

	FILE *fp;

	struct fd_set fds;

	struct timeval timeout={3,0}; //select等待3秒,3秒轮询,要非阻塞就置0

	char buffer[256]={0}; //256字节的接收缓冲区

	/* 假定已经建立UDP连接,具体过程不写,简单,当然TCP也同理,主机ip和port都已经给定,要写的文件已经打开

	sock=socket(...);

	bind(...);

	fp=fopen(...); */

	while(1)

	{

		FD_ZERO(&fds); //每次循环都要清空集合,否则不能检测描述符变化

		FD_SET(sock,&fds); //添加描述符

		FD_SET(fp,&fds); //同上

		maxfdp=sock>fp?sock+1:fp+1; //描述符最大值加1

		switch(select(maxfdp,&fds,&fds,NULL,&timeout)) //select使用

		{

		case -1: exit(-1);break; //select错误,退出程序

		case 0:break; //再次轮询

		default:

			if(FD_ISSET(sock,&fds)) //测试sock是否可读,即是否网络上有数据

			{

				recvfrom(sock,buffer,256,.....);//接受网络数据

				if(FD_ISSET(fp,&fds)) //测试文件是否可写

				fwrite(fp,buffer...);//写入文件

				buffer清空;

			}// end if break;

		}// end switch

	}//end while

}//end main

Part 2:
select()的机制中提供一fd_set的数据结构,实际上是一long类型的数组,
每一个数组元素都能与一打开的文件句柄(不管是Socket句柄,还是其他
文件或命名管道或设备句柄)建立联系,建立联系的工作由程序员完成,
当调用select()时,由内核根据IO状态修改fd_set的内容,由此来通知执
行了select()的进程哪一Socket或文件可读,下面具体解释:

#include <sys/types.h>
#include <sys/times.h>
#include <sys/select.h>

int select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout)
int nfds;
fd_set *readfds, *writefds, *exceptfds;
struct timeval *timeout;

ndfs:select监视的文件句柄数,视进程中打开的文件数而定,一般设为呢要监视各文件
中的最大文件号加一。
readfds:select监视的可读文件句柄集合。
writefds: select监视的可写文件句柄集合。
exceptfds:select监视的异常文件句柄集合。
timeout:本次select()的超时结束时间。(见/usr/sys/select.h,
可精确至百万分之一秒!)

当readfds或writefds中映象的文件可读或可写或超时,本次select()
就结束返回。程序员利用一组系统提供的宏在select()结束时便可判
断哪一文件可读或可写。对Socket编程特别有用的就是readfds。
几只相关的宏解释如下:

FD_ZERO(fd_set *fdset):清空fdset与所有文件句柄的联系。
FD_SET(int fd, fd_set *fdset):建立文件句柄fd与fdset的联系。
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset):清除文件句柄fd与fdset的联系。
FD_ISSET(int fd, fdset *fdset):检查fdset联系的文件句柄fd是否
可读写,>0表示可读写。
(关于fd_set及相关宏的定义见/usr/include/sys/types.h)

这样,你的socket只需在有东东读的时候才读入,大致如下:

...
int sockfd;
fd_set fdR;
struct timeval timeout = ..;
...
for(;;) {
	FD_ZERO(&fdR);
	FD_SET(sockfd, &fdR);
	switch (select(sockfd + 1, &fdR, NULL, &timeout)) {
		case -1:
			error handled by u;
		case 0:
			timeout hanled by u;
		default:
		if (FD_ISSET(sockfd)) {
			now u read or recv something;
			/* if sockfd is father and
			server socket, u can now
			accept() */
		}
	}
}

所以一个FD_ISSET(sockfd)就相当通知了sockfd可读。
至于struct timeval在此的功能,请man select。不同的timeval设置
使使select()表现出超时结束、无超时阻塞和轮询三种特性。由于
timeval可精确至百万分之一秒,所以Windows的SetTimer()根本不算
什么。你可以用select()做一个超级时钟。

FD_ACCEPT的实现?依然如上,因为客户方socket请求连接时,会发送
连接请求报文,此时select()当然会结束,FD_ISSET(sockfd)当然大
于零,因为有报文可读嘛!至于这方面的应用,主要在于服务方的父
Socket,你若不喜欢主动accept(),可改为如上机制来accept()。

至于FD_CLOSE的实现及处理,颇费了一堆cpu处理时间,未完待续。


讨论关于利用select()检测对方Socket关闭的问题:

仍然是本地Socket有东东可读,因为对方Socket关闭时,会发一个关闭连接
通知报文,会马上被select()检测到的。关于TCP的连接(三次握手)和关
闭(二次握手)机制,敬请参考有关TCP/IP的书籍。

不知是什么原因,UNIX好象没有提供通知进程关于Socket或Pipe对方关闭的
信号,也可能是cpu所知有限。总之,当对方关闭,一执行recv()或read(),
马上回返回-1,此时全局变量errno的值是115,相应的sys_errlist[errno]
为”Connect refused”(请参考/usr/include/sys/errno.h)。所以,在上
篇的for(;;)…select()程序块中,当有东西可读时,一定要检查recv()或
read()的返回值,返回-1时要作出关断本地Socket的处理,否则select()会
一直认为有东西读,其结果曾几令cpu伤心欲断针脚。不信你可以试试:不检
查recv()返回结果,且将收到的东东(实际没收到)写至标准输出…
在有名管道的编程中也有类似问题出现。具体处理详见拙作:发布一个有用
的Socket客户方原码。

至于主动写Socket时对方突然关闭的处理则可以简单地捕捉信号SIGPIPE并作
出相应关断本地Socket等等的处理。SIGPIPE的解释是:写入无读者方的管道。
在此不作赘述,请详man signal。

以上是cpu在作tcp/ip数据传输实验积累的经验,若有错漏,请狂炮击之。

唉,昨天在hacker区被一帮孙子轰得差点儿没短路。ren cpu(奔腾的心) z80

补充关于select在异步(非阻塞)connect中的应用,刚开始搞socket编程的时候
我一直都用阻塞式的connect,非阻塞connect的问题是由于当时搞proxy scan
而提出的呵呵
通过在网上与网友们的交流及查找相关FAQ,总算知道了怎么解决这一问题.同样
用select可以很好地解决这一问题.大致过程是这样的:

1.将打开的socket设为非阻塞的,可以用fcntl(socket, F_SETFL, O_NDELAY)完
成(有的系统用FNEDLAY也可).

2.发connect调用,这时返回-1,但是errno被设为EINPROGRESS,意即connect仍旧
在进行还没有完成.

3.将打开的socket设进被监视的可写(注意不是可读)文件集合用select进行监视,
如果可写,用
getsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, sizeof(int));
来得到error的值,如果为零,则connect成功.

在许多unix版本的proxyscan程序你都可以看到类似的过程,另外在solaris精华
区->编程技巧中有一个通用的带超时参数的connect模块.

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